수리논술, 이게 다다.

자연계열 2번

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문제

【문제 2】아래의 제시문을 읽고 문항별로 풀이와 함께 답하시오. (35점)

(가) 중심이 원점 O이고 반지름의 길이가 r\displaystyle r인 원의 방정식은 x2+y2=r2\displaystyle x^2+y^2=r^2이다. 각 θ\displaystyle \theta를 나타내는 동경과 원의 교점의 좌표를 (x,y)\displaystyle (x,y)라고 하면 tan⁡θ=yx (x≠0)\displaystyle \tan\theta=\frac yx\ (x\ne0)이다.

(나) 1 보다 큰 실수 r\displaystyle r에 대해서 C(r)\displaystyle \mathrm{C}(r)은 좌표평면에서 중심이 Ar(ar,0)\displaystyle \mathrm{A}_r(a_r,0)이고 반지름의 길이가 r\displaystyle r인 원을 나타낸다. 두 원 C(r)\displaystyle \mathrm{C}(r)과 C(r+1)\displaystyle \mathrm{C}(r+1)의 한 교점을 Pr\displaystyle \mathrm{P}_r이라 할 때 θr\displaystyle \theta_r은 점 Pr\displaystyle \mathrm{P}_r과 원 C(r+1)\displaystyle \mathrm{C}(r+1)의 중심과 원점이 이루는 각 ∠PrAr+1O\displaystyle \angle\mathrm{P}_r\mathrm{A}_{r+1}\mathrm{O}를 나타낸다. (단, Pr\displaystyle \mathrm{P}_r의 y\displaystyle y좌표는 양수)

곡선 S에 접하는 두 원 C(r), C(r+1)과 각 θr

S는 두 무리함수 y=2x\displaystyle y=\sqrt{2x}와 y=−2x\displaystyle y=-\sqrt{2x}으로 만들어지는 곡선이다. 원 C(r)\displaystyle \mathrm{C}(r)과 곡선 S는 서로 다른 두 점에서 접한다.

[문제 2-1] 제시문 (나)의 Ar(ar,0)\displaystyle \mathrm{A}_r(a_r,0)에 대해서 ar\displaystyle a_r을 r\displaystyle r로 나타내시오. (10점)

[문제 2-2] 제시문 (나)의 Ar(ar,0)\displaystyle \mathrm{A}_r(a_r,0)에 대해서, 1 보다 큰 모든 실수 r\displaystyle r에 대한 방정식 (a2r−12)e−r+k=0\displaystyle \left(a_{2r}-\frac12\right)e^{-r}+k=0가 서로 다른 두 실근을 갖도록 하는 실수 k\displaystyle k의 범위를 구하시오. (단, lim⁡x→∞(2x2ex)=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}\left(\frac{2x^2}{e^x}\right)=0) (13점)

[문제 2-3] 제시문 (나)의 θr\displaystyle \theta_r에 대해서 lim⁡r→∞tan⁡(θr)\displaystyle \lim_{r\to\infty}\tan(\theta_r)을 구하시오. (12점)

해설강의 준비중
+10점 · (상) 계산과정과 결과 모두 맞게 답한 경우 (중) 계산과정에 사소한 실수가 있는 경우 (하) 계산과정에 큰 실수가 있는 경우

[문제 2-1] (답) ar=r2+12\displaystyle a_r=\frac{r^2+1}{2}(풀이){x=12y2—–(1)(x−ar)2+y2=r2—–(2)\displaystyle \begin{cases}x=\frac12y^2&\text{-----(1)}\\(x-a_r)^2+y^2=r^2&\text{-----(2)}\end{cases}(1)을 (2)에 대입하여 정리하면 (x−ar)2+2x−r2=0\displaystyle (x-a_r)^2+2x-r^2=0이다. 이 이차방정식의 판별식이 D=0\displaystyle D=0이어야 하므로 D4=(ar−1)2−(ar2−r2)=0\displaystyle \frac D4=(a_r-1)^2-(a_r^2-r^2)=0이고 정리하면 ar=r2+12\displaystyle a_r=\frac{r^2+1}{2}이다.

+13점 · (상) 계산과정과 결과 모두 맞게 답한 경우 (중) 계산과정에 사소한 실수가 있는 경우 (하) 계산과정에 큰 실수가 있는 경우

[문제 2-2] (답) −8e2<k<−2e\displaystyle -\frac8{e^2}<k<-\frac2e(풀이) (4r2+12−12)e−r+k=0\displaystyle \left(\frac{4r^2+1}{2}-\frac12\right)e^{-r}+k=01 보다 큰 모든 실수 r\displaystyle r에 대해 f(r)=2r2e−r\displaystyle f(r)=2r^2e^{-r} (또는 1보다 큰 모든 실수 x\displaystyle x에 대해 f(x)=2x2e−x\displaystyle f(x)=2x^2e^{-x})이라고 하면 f′(x)=2e−x(2x−x2)\displaystyle f^{\prime}(x)=2e^{-x}(2x-x^2)이므로 f′(x)=0\displaystyle f^{\prime}(x)=0에서 x=0\displaystyle x=0 또는 x=2\displaystyle x=2이다. 이때 f′′(x)=2e−x(x2−4x+2)\displaystyle f^{\prime\prime}(x)=2e^{-x}(x^2-4x+2)에서 f′′(0)=4>0, f′′(2)=−4e−2<0\displaystyle f^{\prime\prime}(0)=4>0,\ f^{\prime\prime}(2)=-4e^{-2}<0이므로 함수 f(x)\displaystyle f(x)의 극솟값은 f(0)=0\displaystyle f(0)=0, 극댓값은 f(2)=8e−2\displaystyle f(2)=8e^{-2}이다. 그리고 (lim⁡x→−∞f(x)=lim⁡x→−∞(2x2ex)=∞)\displaystyle \left(\lim_{x\to-\infty}f(x)=\lim_{x\to-\infty}\left(\frac{2x^2}{e^x}\right)=\infty\right), lim⁡x→∞f(x)=lim⁡x→∞(2x2ex)=0\displaystyle \lim_{x\to\infty}f(x)=\lim_{x\to\infty}\left(\frac{2x^2}{e^x}\right)=0이므로 함수 f(x)=2x2e−x\displaystyle f(x)=2x^2e^{-x}의 그래프의 개형은 다음 그림과 같다.[그림 2]

[그림 2] 함수 f(x)=2x²e⁻ˣ와 직선 y=-k

이때 곡선 f(x)=2x2e−x (x>1)\displaystyle f(x)=2x^2e^{-x}\ (x>1)과 직선 y=−k\displaystyle y=-k가 서로 다른 두 점에서 만나야 하므로 구하는 k\displaystyle k값의 범위는 −8e2<k<−2e\displaystyle -\frac8{e^2}<k<-\frac2e이다.

+12점 · (상) 계산과정과 결과 모두 맞게 답한 경우 (중) 계산과정에 사소한 실수가 있는 경우 (하) 계산과정에 큰 실수가 있는 경우

[문제 2-3] (답) 3\displaystyle \sqrt3(풀이) 연립이차방정식 {(x−ar)2+y2=r2—-(1)(x−ar+1)2+y2=(r+1)2—-(2)\displaystyle \begin{cases}(x-a_r)^2+y^2=r^2&\text{----(1)}\\(x-a_{r+1})^2+y^2=(r+1)^2&\text{----(2)}\end{cases}(1)에서 y2=r2−(x−ar)2\displaystyle y^2=r^2-(x-a_r)^2 ----(3)(3)을 (2)에 대입하면 (x−ar+1)2−(x−ar)2=(r+1)2−r2, x=r2+r−12\displaystyle (x-a_{r+1})^2-(x-a_r)^2=(r+1)^2-r^2,\ x=\frac{r^2+r-1}{2}이고 (1)에 대입하면 y=±3r2+4r−42\displaystyle y=\frac{\pm\sqrt{3r^2+4r-4}}2이다. 따라서 점 Pr\displaystyle P_r과 s,t\displaystyle s,t를 구하면 Pr(r2+r−12,3r2+4r−42)\displaystyle P_r\left(\frac{r^2+r-1}{2},\frac{\sqrt{3r^2+4r-4}}2\right), t=ar+1−x=r+32\displaystyle t=a_{r+1}-x=\frac{r+3}{2}이고 s=3r2+4r−42\displaystyle s=\frac{\sqrt{3r^2+4r-4}}2이다[그림 3]. 그러므로 lim⁡r→∞tan⁡(θr)=lim⁡r→∞st=lim⁡r→∞3r2+4r−42r+32=3\displaystyle \lim_{r\to\infty}\tan(\theta_r)=\lim_{r\to\infty}\frac st=\lim_{r\to\infty}\frac{\frac{\sqrt{3r^2+4r-4}}2}{\frac{r+3}{2}}=\sqrt3.Correction. 교점의 좌표는 (2r2+2r−14,12r2+12r−94)\displaystyle \left(\frac{2r^2+2r-1}{4},\frac{\sqrt{12r^2+12r-9}}4\right)이고 t=2r+54\displaystyle t=\frac{2r+5}{4}이다. 다만 구하는 극한값 3\displaystyle \sqrt3은 같다. 그러나 원칙에 따라 원문 표기를 그대로 실었다.

[그림 3] 교점 Pr에서 내린 수선과 길이 s, t

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